CN111474969A - 一种河流综合模拟实验仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河流综合模拟实验仿真平台，包括模拟沙盘、泥沙、计算机系统、主控制系统、水泵循环系统、储水箱、水位控制装置、过滤装置和坡度控制装置；所述模拟沙盘内一侧设置有至少一个水流控制器；水流控制器的相对侧，在模拟沙盘内部设置有水平面调节管；模拟沙盘下部设置的水泵循环系统、储水箱、水位控制装置、坡度控制装置均与主控制系统连接；水流控制器与水泵循环系统连接；水平面调节管与水位控制装置连接；水平面调节管下端通过过滤装置与储水箱连接；坡度控制装置调节模拟沙盘倾斜角度。本案便于塑造河流，用时短易塑性；可以调节流水的各项参数、水平线高度模拟不同的自然条件；生动形象的展现力，趣味性、功能性和科学性。

Description

一种河流综合模拟实验仿真平台

技术领域

本发明涉及一种自然地理学科的一款河流综合模拟实验设备。

背景技术

众所周知，自然界的河流都是弯曲状的。河流的弯曲除了受到自然界各种力的影响还有重要的一点就是流水的作用而引起的。河道通过上游流水进行流水的搬运、侵蚀及堆积等因素作用后，形成了各种基于地表形态塑造方面的自然现象。由于河流的变化及地表形态的塑造是非常漫长的演变过程，对于此类自然现象的研究大多都是通过理论及实地科考等进行研究，对于中小学生理解这方面的知识结构就显得比较吃力。此设备通过发明创造，可以在相对较短的时间（10-20分钟）内完成河流的塑造及模拟各种地貌的形成，譬如：河流的裁弯取直、牛扼湖、曲流、冲积扇、河漫滩、江心洲、阶地、凹岸侵蚀、凸岸堆积、”U”、“V”型谷等重要的地理现象。

发明内容

本发明目的是：提供一种可以模拟自然界地貌、河流，能够生动形象的展现由于流水的各种作用后，形成了各种基于地表形态塑造方面的自然现象并可以观察分析的河流综合模拟实验仿真平台。

本发明的技术方案是：一种河流综合模拟实验仿真平台，包括模拟沙盘、泥沙、计算机系统、主控制系统、水泵循环系统、储水箱、水位控制装置、过滤装置和坡度控制装置；所述模拟沙盘内一侧设置有至少一个水流控制器；所述水流控制器一侧的模拟沙盘上设置有颜料系统；所述水流控制器的相对侧，在模拟沙盘内部设置有水平面调节管；所述模拟沙盘下部设置的水泵循环系统、储水箱、水位控制装置、坡度控制装置均与主控制系统连接；所述水流控制器与水泵循环系统连接；所述水流控制器上还连接有流量传感器；所述水平面调节管与水位控制装置连接，水位控制装置调节水平面调节管高度来模拟水平线位置；所述水平面调节管下端通过过滤装置与储水箱连接；所述坡度控制装置调节模拟沙盘坡度和倾斜角度；所述计算机系统与主控制系统连接；所述模拟沙盘上设置有控制调节界面；所述控制调节界面与主控制系统连接。

优选的，所述模拟沙盘上设置有调节支架；所述调节支架上设置有水流测速系统；所述水流测速系统在x、y和z三轴方向上均可调节位置；所述水流测速系统与主控制系统连接；所述调节支架为可移动龙门结构；所述水流测速系统在x、y和z三轴方向上均可调节位置；所述水流测速系统至少有一个；水流测速系统实时的测量同一河段不同的水流流速值，得到量化数据。

优选的，所述水流测速系统为风车式水流速测速系统；所述风车式水流速测速系统采用非接触式光电脉冲编码器；所述风车式测速传感器的风车中心设置有轴承，水流带动风车转动。

优选的，所述模拟沙盘上设置有摄像头拍照系统；所述摄像头拍照系统与计算机系统连接；实时录像和拍照，可以将整个实验过程记录下来，也可以随时按下拍照键进行随时抓取实验瞬间。

优选的，所述过滤装置包括抽拉式过滤隔层；当模拟沙盘中水量超过水位控制装置最大水位后，多余的水将通过水平面调节管流到储水箱之中，在流入储水箱之前会有抽拉式过滤隔层将随着水流带过去的泥沙进行过滤，防治大量泥沙流入到储水箱，抽出抽拉式过滤隔层定期清理过滤的泥沙。

优选的，所述坡度控制装置包括坡度传感器。

优选的，所述水流控制器为进步式水流控制器，进步式水流控制器像模拟沙盘中注水。

优选的，所述控制调节界面包括流量控制器、坡度控制器、倾斜度控制器和水位制器；流量控制器打开步进式水流控制器，水流通过步进式水流控制器进入到模拟沙盘中；水位制器调节水位控制装置来调整水平面调节管高度实现对水平线的调整。

优选的，所述颜料系统使用水性实用色素；实验过程中为了看到实验对比效果，可以启动颜料系统，颜料系统安放于上游流水处，两条合理可以释放不同的颜料进行对比实验，颜料可以渲染仿真泥沙表面，实验结束后可以看到流水对地表的塑造分布情况。颜料为使用水性实用色素，不具有长期染色功能，常规下上游流出清水就可以将颜料洗刷干净，不影响下次实验。

优选的，所述模拟沙盘配备有仿真辅助道具，仿真辅助道具包括仿真桥、仿路面、仿房屋、仿花草、鹅卵石等，利用仿真辅助道展现实验现象，增加实验的趣味性、功能性以及科学性。

优选的，所述泥沙为仿真泥沙；可以根据实验需求调配颗粒度不同的泥沙。

本发明的优点是：

1．便于塑造模拟河流，用时短，易塑形；

2.可以调节流水的各项参数、水平线高度模拟不同的自然条件；

3.通过观察实验现象，具有生动形象的展现力，趣味性、功能性和科学性。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本案所述的一种河流综合模拟实验仿真平台的立体结构示意图；

图2为本案所述的一种河流综合模拟实验仿真平台的右视结构示意图；

图3为本案所述的一种河流综合模拟实验仿真平台的储水箱、水平面调节管和过滤装置的结构示意图；

图4为本案所述的一种河流综合模拟实验仿真平台的水流测速系统的结构示意图；

图5为本案所述的一种河流综合模拟实验仿真平台的主要工作流程线框图；

其中：1、模拟沙盘；2、泥沙；3、计算机系统；4、主控制系统；5、水泵循环系统；6、储水箱；7、水位控制装置；8、过滤装置；9、坡度控制装置；10、颜料系统；11、水流测速系统；12、摄像头拍照系统；101、调节支架；401、控制调节界面；501、水流控制器；502、流量传感器；701、水平面调节管。

具体实施方式

实施例：

如图1-5所示，一种河流综合模拟实验仿真平台，包括模拟沙盘1、泥沙2、计算机系统3、主控制系统4、水泵循环系统5、储水箱6、水位控制装置7、过滤装置8和坡度控制装置9；所述模拟沙盘1内一侧设置有至少一个水流控制器501；所述水流控制器501一侧的模拟沙盘1上设置有颜料系统10；所述水流控制器501的相对侧，在模拟沙盘1内部设置有水平面调节管701；所述模拟沙盘1下部设置的水泵循环系统5、储水箱6、水位控制装置7、坡度控制装置9均与主控制系统4连接；所述水流控制器501与水泵循环系统5连接，所述水流控制器501为进步式水流控制器，进步式水流控制器像模拟沙盘1中注水；所述水流控制器501上还连接有流量传感器502，监测进步式水流控制器501的水流量；所述水平面调节管701与水位控制装置7连接，水位控制装置7驱动水平面调节管701升降来模拟水平线位置；所述水平面调节管701下端通过过滤装置8与储水箱6连接；所述坡度控制装置9调节模拟沙盘1的坡度和倾斜角度，所述坡度控制装置9包括坡度传感器；所述计算机系统3与主控制系统4连接；所述模拟沙盘1上设置有控制调节界面401；所述控制调节界面401与主控制系统4连接。

所述泥沙2为仿真泥沙；可以根据实验需求调配颗粒度不同的泥沙，将调配好的仿真泥沙倒入模拟沙盘中，根据沙箱的高度，一般导入约二分之一的量为最佳，将干燥的仿真泥沙充分与水混合，使其全完浸湿。

所述模拟沙盘1上设置有调节支架101；所述调节支架101上设置有水流测速系统11；所述水流测速系统11与主控制系统4连接；所述调节支架101为可移动龙门结构；所述龙门结构设置在模拟沙盘1上，并沿着模拟沙盘1上的导轨往复滑动，水流测速系统11设置在龙门结构的横梁上，并沿着横梁滑动；所述龙门结构上设置有拖链；龙门结构运动时带动拖链同步运动，拖链主要用来装载水流测速系统11的导线以及X、Y、Z三轴方向的控制线缆，水流测速系统11能够支持X、Y、Z三轴共计6个方向的运行，每个方向同时支持手动和电动控制运动。

所述水流测速系统11至少有一个；水流测速系统11实时的测量同一河段不同的水流流速值，得到量化数据；所述水流测速系统11为风车式水流速测速系统；所述风车式水流速测速系统采用非接触式光电脉冲编码器，所述风车式水流速测速系统的风车中心设置有轴承，水流带动风车转动，通过风车转动的快慢可以直观的观测水流的速度，风车数据采集最大的优点是数据采集准确度高，由于采用非接触式光电脉冲传感器；采用高润滑性轴承，测量流速时对流水的流速影响非常小，保证了数据的准确性和观测的直观性。

所述模拟沙盘1上设置有摄像头拍照系统12；所述摄像头拍照系统12与计算机系统3连接；实时录像和拍照，可以将整个实验过程记录下来，也可以随时按下拍照键进行随时抓取实验瞬间。

所述过滤装置8包括抽拉式过滤隔层；当模拟沙盘1中水量超过设定的最大水位后，多余的水将通过水平面调节管701流到储水箱6之中，在流入储水箱6之前会有抽拉式过滤隔层将随着水流带过去的泥沙进行过滤，防治大量泥沙流入到储水箱，抽出抽拉式过滤隔层定期清理过滤的泥沙。

所述控制调节界401面包括流量控制器、坡度控制器、倾斜度控制器和水位制器；流量控制器打开步进式水流控制器，水流通过步进式水流控制器进入到模拟沙盘中；水位制器调节水位控制装置来调整水平面调节管高度实现对水平线的调整。

所述颜料系统10的不同的颜料盒中使用不同颜色的水性实用色素；实验过程中为了看到实验对比效果，可以启动颜料系统，颜料系统安放于上游流水处，通过颜料留出口两条河里可以释放不同的颜料进行对比实验，颜料可以渲染仿真泥沙表面，实验结束后可以看到流水对地表的塑造分布情况。颜料为使用水性实用色素，不具有长期染色功能，常规下上游流出清水就可以将颜料洗刷干净，不影响下次实验。

所述模拟沙盘1配备有仿真辅助道具，仿真辅助道具包括仿真桥、仿路面、仿房屋、仿花草、鹅卵石等，利用仿真辅助道展现实验现象，增加实验的趣味性、功能性以及科学性。

工作原理说明：

1）将仿真泥沙按照相应的比例导入到模拟沙盘中，根据沙箱的高度，一般导入约二分之一的量为最佳；

2）将干燥的仿真泥沙充分与水混合，使其全完浸湿，并塑造出模拟河流的形状，仿真泥沙上还可以放上仿真辅助道具，如仿真房屋、仿真桥梁、仿真花草等，然后启动计算机系统及仿真实验软件；

3）启动主控制系统，主控制系统启动各个传感器、启动水泵循环系统；

4）通过控制调节界面调节不同参数，旋转流量控制器，流量控制器打开步进式水流控制器，同时计算机系统实时显示当前的流量值，水流通过步进式水流控制器进入到模拟沙盘中；根据实验不同可以调节如坡度、流量大小进行不同实验；

5）调节水位制器启水位控制装置调节水平面调节管高度来模拟水平线位置，可以实时记录当前地形地貌的水平线，如根据实验要求可以调高或者调低水平线以此实现海水的托举效应；

6）个参数调节完毕，观察水流流动过程中对泥沙的作用及现象，譬如：河流的裁弯取直、牛扼湖、曲流、冲积扇、河漫滩、江心洲、阶地、傲岸侵蚀、凸岸堆积、”U”、“V”型谷等重要的地理现象；

7）当模拟沙盘中水量超过水位控制装置最大水位后，多余的水将通过水平面调节管流到储水箱之中，在流入储水箱之前会有过滤装置将随着水流带过去的泥沙进行过滤，防治大量泥沙流入到储水箱；

8）过滤装置带有抽拉式过滤隔层，抽拉式过滤隔层作用主要是用于隔离泥沙，抽出抽拉式过滤隔层，根据过滤的泥沙量进行定期清理；

9）在计算机系统启动仿真实验软件后，安装在产品正上方的摄像头拍照系统就会实时录像和拍照，可以将整个实验过程记录下来；也可以随时按下拍照键进行随时抓取实验瞬间；

10）实验过程中可以随时移动安装于模拟沙盘上方的龙门结构，龙门结构上安装两套风车式水流速测速系统；根据实验要求可以实时的测量同一河段不同的水流流速值，得到量化数据；

根据实验要求，可以同时进行两条河流的各种参数的对比实验，只需要在模拟沙盘进行相应的布局即可，实验过程中为了看到实验对比效果，可以启动颜料系统，颜料系统安放于上游流水处，两条河里可以释放不同的颜料进行对比实验，颜料可以渲染仿真泥沙表面，实验结束后可以看到流水对地表的塑造分布情况，颜料为使用水性实用色素，不具有长期染色功能，常规下上游流出清水就可以将颜料洗刷干净，不影响下次实验。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种河流综合模拟实验仿真平台，其特征在于：包括模拟沙盘、泥沙、计算机系统、主控制系统、水泵循环系统、储水箱、水位控制装置、过滤装置和坡度控制装置；所述模拟沙盘内一侧设置有至少一个水流控制器；所述水流控制器一侧的模拟沙盘上设置有颜料系统；所述水流控制器的相对侧，在模拟沙盘内部设置有水平面调节管；所述模拟沙盘下部设置的水泵循环系统、储水箱、水位控制装置、坡度控制装置均与主控制系统连接；所述水流控制器与水泵循环系统连接；所述水流控制器上还连接有流量传感器；所述水平面调节管与水位控制装置连接；所述水平面调节管下端通过过滤装置与储水箱连接；所述坡度控制装置调节模拟沙盘倾斜角度；所述计算机系统与主控制系统连接；所述模拟沙盘上设置有控制调节界面；所述控制调节界面与主控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种河流综合模拟实验仿真平台，其特征在于：所述模拟沙盘上设置有调节支架；所述调节支架上设置有水流测速系统；所述水流测速系统在x、y和z三轴方向上均可调节位置；所述水流测速系统与主控制系统连接。

3.根据权利要求2所述的一种河流综合模拟实验仿真平台，其特征在于：所述水流测速系统为风车式水流速测速系统。

4.根据权利要求1所述的一种河流综合模拟实验仿真平台，其特征在于：所述模拟沙盘上设置有摄像头拍照系统；所述摄像头拍照系统与计算机系统连接。

5.根据权利要求1所述的一种河流综合模拟实验仿真平台，其特征在于：所述过滤装置包括抽拉式过滤隔层。

6.根据权利要求1所述的一种河流综合模拟实验仿真平台，其特征在于：所述坡度控制装置包括坡度传感器。

7.根据权利要求1所述的一种河流综合模拟实验仿真平台，其特征在于：所述控制调节界面包括流量控制器、坡度控制器、倾斜度控制器和水位制器。

8.根据权利要求1所述的一种河流综合模拟实验仿真平台，其特征在于：所述颜料系统使用水性实用色素。

9.根据权利要求1所述的一种河流综合模拟实验仿真平台，其特征在于：所述模拟沙盘配备有仿真辅助道具。

10.根据权利要求1所述的一种河流综合模拟实验仿真平台，其特征在于：所述泥沙为仿真泥沙。

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